Universidade de
Aveiro 2015 Departamento Telecomunicações e Informática de Eletrónica,
Gonçalo Nuno Duarte Costa Propagação de Sinais de Rádio Digitalizados sobre Fibra no contexto de NG-PON2
Universidade de
Aveiro 2015 Departamento Telecomunicações e Informática de Eletrónica,
Gonçalo Nuno Duarte Costa Propagação de Sinais de Rádio Digitalizados sobre Fibra no contexto de NG-PON2
Dissertação apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações, realizada sob a orientação científica do Dr. Mário Lima, Professor Auxiliar, e do Dr. António Teixeira, Professor Associado com Agregação, ambos do Departamento de Eletrónica, Telecomunicações e Informática da Universidade de Aveiro.
O Júri
Presidente Prof. Dr. Paulo Miguel Nepomuceno Pereira Monteiro Professor Associado da Universidade de Aveiro
Vogais Prof. Doutor Mário José Neves de Lima
Professor Auxiliar da Universidade de Aveiro (Orientador)
Prof. Doutor Paulo Sérgio de Brito André
Professor Associado com Agregação do Instituto Superior Técnico
Agradecimentos Serve o presente texto para agradecer a todos aqueles que de alguma forma contribuíram para a realização deste trabalho.
Aos colegas da sala de bolseiros, em especial ao Diogo Viana e ao Nei Oliveira, obrigado pela paciência e dedicação com que deixaram o seu trabalho para me ajudar.
Aos professores Mário Lima e António Teixeira, um obrigado pela forma exemplar como me orientaram durante este percurso.
Ao João Milheiro, Hugo Lopes e João da Silva, um obrigado por tornarem todo o meu percurso académico algo memorável.
A todos os meus colegas da Comissão de Faina, um obrigado por todos os bons momentos durante o meu último ano.
À Carolina, o maior e especial agradecimento por me ter sempre apoiado e por nunca sair do meu lado durante estes 5 anos.
Aos meus pais, que sempre foram uma família exemplar e aos quais eu devo tudo.
Palavras-chave Rádio sobre Fibra, Rádio Digitalizado sobre Fibra, NG-PON2, RF, Filtros Óticos.
Resumo Com o crescente aumento da utilização das
telecomunicações terão de surgir novas formas de assegurar a qualidade de serviço e neste contexto, surgem a transmissão de rádio sobre fibra e as redes óticas passivas de próxima geração.
A transmissão de rádio sobre fibra traz benefícios a nível da simplificação das estações base, assim como uma poupança significativa em manutenção.
As redes óticas passivas de próxima geração surgem como uma necessidade devido à crescente busca por maior largura de banda e estas vêm colmatar a futura sobrecarga a que as redes óticas atuais estarão sujeitas.
No presente trabalho estuda-se o impacto de alguns importantes parâmetros do sistema ótico na transmissão digital e analógica de rádio sobre fibra. Na transmissão analógica estudou-se o impacto dos fenómenos limitativos associados ao modulador Mach-Zehnder e testou-se, experimentalmente e por simulação, a influência da introdução de fibra neste mesmo sistema. Já na transmissão digital analisou-se o impacto do número de bits de resolução no desempenho do sistema, considerando cenários com e sem fibra.
Concluiu-se que a transmissão digital permite obter valores de sensibilidade mais reduzidos, à custa do aumento da resolução e consequentemente do ritmo de transmissão, logo com impacto quando se considera propagação em fibra. Também neste trabalho realizou-se um estudo do filtro de seleção de canal, em NG-PON2. Em relação a este tópico, simulou-se um sistema onde se alterou o tipo de filtro e a ordem do mesmo e observou-se o impacto que estes teriam caso se dessintonizasse o filtro e caso se introduzisse fibra.
Keywords Radio over Fiber, Digital Radio over Fiber, NG-PON2, RF, Optical Filters.
Abstract With the increased use of telecommunications, new ways of ensuring the quality of service must be developed and in this perspective there are two technologies arising: radio over fiber technology and next generation passive optical networks
Radio over fiber transmission allows the simplification of the base stations, as well as provides great maintenance savings.
Next generation passive optical networks arise as a need due to the growing need for bandwidth and also to prevent the future overload that the existing networks will suffer. In this work, the impact of some important parameters related to the transmission of radio over fiber, both digital and analogue, are studied. In the analogue transmission, it was studied the impact of the phenomena related to the Mach-Zehnder modulator and also the influence of fiber introduction in this system (simulated and tested in the laboratory). In the digital transmission, the main objects of study were the impact of the number of resolution bits in the system’s performance and also how the introduction of fiber would affect the system; both topics were simulated and tested in the laboratory.
Related to radio over fiber transmissions it was concluded that the digital transmission has advantages over the analogue transmission, since it is possible to receive lower values of optical power, maintaining the same error value. Another object of study in this work was the channel
selecting filter in the NG-PON2 technology. About this topic, it was simulated a system in which the type of the filter and its order was changed and their impact on the system was simulated when it suffered from detuning and when fiber was introduced.
Conteúdo
Conteúdo ... i
Lista de Figuras ... iii
Lista de Tabelas ... v
Lista de Acrónimos ... vii
1. Introdução ... 1 1.1. Contexto e motivação ... 1 1.2. Objetivos ... 2 1.3. Estrutura da Dissertação ... 2 1.4. Principais Contribuições ... 3 2. Sistemas Óticos ... 5 2.1. Laser ... 5
2.1.1. Intensidade relativa de Ruído ... 5
2.1.2. Largura de Linha ... 5
2.2. Modulação de intensidade ... 5
2.2.1. Modulação direta de díodos de laser ... 6
2.2.1.1. Chirp ... 6
2.2.1.2. Eficiência da modulação em amplitude ... 6
2.2.1.3. Não Linearidade: Clipping ... 7
2.2.2. Modulação externa ... 7
2.2.2.1. Mach-Zehnder ... 7
2.2.2.1.1. Regime linear do Mach-Zehnder e Eficiência ... 8
2.2.2.1.2. Propriedades não lineares: Multiplicação de Frequência e Produtos de intermodulação ... 8 2.3. Fibra Ótica ... 9 2.3.1. Propriedades Lineares ... 9 2.3.1.1. Atenuação ... 9 2.3.1.2. Dispersão Cromática ... 10 2.3.1.3. Desvanecimento de Potência ... 11
2.3.2. Propriedades não lineares da fibra ... 12
2.3.2.1. Espalhamento estimulado de Raman ... 12
2.3.2.2. Espalhamento estimulado de Brillouin ... 12
2.3.2.3. Auto modulação de fase ... 12
2.3.2.4. Modulação de fase cruzada ... 12
2.3.2.5. Mistura de quatro ondas ... 13
2.4.1. Díodos PIN ... 13
2.4.2. Díodo de Avalanche ... 14
2.5. Conclusões ... 14
3. Sistemas de transmissão de Rádio em redes de acesso de próxima geração ... 15
3.1. Radio over Fiber (ROF) ... 15
3.1.1. Vantagens ... 16
3.1.2. Desvantagens ... 17
3.1.3. Técnicas de deteção ... 18
3.2. Digital Radio over Fiber (DROF) ... 18
3.2.1. Vantagens ... 19
3.2.2. Desvantagens ... 19
3.2.3. Amostragem de Banda de Passagem (bandpass Sampling) ... 20
3.2.4. Gama dinâmica de funcionamento ... 21
3.2.5. Arquitetura ... 21
3.3. NG-PON2 ... 22
3.3.1. Requerimentos e Arquitetura de NG-PON2 ... 22
3.3.2. BOSA ... 24
3.4. Conclusões ... 24
4. Resultados de simulação e experimentais ... 25
4.1. Resultados de simulação de Radio Over Fiber ... 25
4.1.1. Caracterização do MZM ... 26
4.1.2. Desempenho do sistema em Back-to-Back ... 27
4.1.3. Caracterização do Fotodíodo ... 28
4.1.4. Introdução de Fibra ... 29
4.2. Resultados Laboratoriais de Rádio Sobre Fibra ... 29
4.3. Resultados de simulação de Digital Radio Over Fiber ... 32
4.4. Resultados Laboratoriais de DROF e comparação com resultados teóricos ... 36
4.5. Estudo do filtro de seleção de canal em NG-PON2 ... 39
4.5.1. Filtro de Bessel ... 41
4.5.2. Filtro Butterworth ... 44
4.5.3. Filtro Chebyshev ... 47
4.5.4. Comparação dos tipos de filtro ... 50
5. Conclusões e trabalho futuro ... 51
Lista de Figuras
Figura 1: Variação da potência ótica de saída com a corrente de entrada [11] ... 6
Figura 2: Efeito de Clipping no laser [13] ... 7
Figura 3: Eficiência de transmissão do MZM em função da tensão aplicada. [15] ... 8
Figura 4: Atenuação nas 3 janelas principais de transmissão sobre fibra. [16] ... 10
Figura 5: Dispersão cromática, resultante da combinação da dispersão material e dispersão do guia de onda em função do comprimento de onda [17]. ... 11
Figura 6: Efeito do desvanecimento ao longo de uma fibra [18]. ... 11
Figura 7: Esquema de um sistema de transmissão de rádio sobre fibra. ... 16
Figura 8: Espectro após amostragem de banda de passagem [21]. ... 20
Figura 9: Esquema de uma ligação de ROF (a) e esquema de uma ligação DROF (b). [2] ... 21
Figura 10: Comparação entre ROF analógico e digital [26]. ... 22
Figura 11: Diagrama do sistema TWDM-PON. [28] ... 23
Figura 12: Planeamento de comprimentos de onda atual. [27] ... 23
Figura 13: Esquemático utilizado para simular o sistema de Rádio sobre fibra... 26
Figura 14: Potência à saída do MZM em função do Bias (V). ... 26
Figura 15: EVM em função da potência ótica recebida (dBm), para diferentes valores do Drive Amplitude. ... 27
Figura 16: EVM em função da potência ótica recebida (dBm), para diferentes potências de emissão do Laser. ... 28
Figura 17: EVM em função da potência ótica recebida (dBm), para diferentes comprimentos de fibra. ... 29
Figura 18: Montagem experimental de rádio analógico sobre fibra. ... 30
Figura 19: EVM em função da potência ótica recebida, para 0 km de fibra. ... 31
Figura 20: EVM em função da potência ótica recebida, para 20km de fibra. ... 31
Figura 21: EVM em função da potência ótica recebida, para 40 km de fibra. ... 32
Figura 22: Diagrama de blocos do sistema rádio digital sobre fibra. ... 33
Figura 23: Sinal QAM gerado (ponto a). ... 33
Figura 24: Sinal após a normalização (ponto b). ... 33
Figura 25: Sinal após o codificador NRZ (ponto c). ... 33
Figura 26: Sinal antes da fibra (ponto d). ... 33
Figura 27: Sinal depois do recetor (ponto e). ... 34
Figura 28: Sinal descodificado (ponto f). ... 34
Figura 29: EVM em função do número de bits. ... 34
Figura 30: EVM em função da potência ótica recebida (dBm), com resolução de 4 bits, para 40km e 0 km. ... 35
Figura 31: EVM em função da potência ótica recebida (dBm), com resolução de 8 bits, para 40km e 0 km. ... 35
Figura 32: Montagem experimental de rádio digitalizado sobre fibra. ... 36
Figura 33: EVM em função da Potência ótica recebida (dBm), para 0 km de fibra. ... 37
Figura 34: EVM em função da potência ótica recebida (dBm), para 40km de fibra. ... 38
Figura 35: Comparação dos resultados teóricos e experimentais, para 4 bits... 39
Figura 36: Comparação dos resultados teóricos e experimentais, para 8 bits... 39
Figura 38: BER em função do desvio da frequência, para várias ordens do filtro de
Bessel. ... 41
Figura 39: Magnitude do filtro (100 GHz) ... 42
Figura 40: Magnitude do filtro (20 GHz) ... 42
Figura 41: Atraso para várias ordens do filtro de Bessel. ... 42
Figura 42: BER em função do comprimento de fibra (m) ... 43
Figura 43: Dessintonia num filtro de Bessel, para vários comprimentos de fibra. ... 43
Figura 44: BER em função do desvio de frequência para várias ordens de um filtro Butterworth. ... 44
Figura 45: Magnitude do filtro (100 GHz) ... 45
Figura 46: Magnitude do filtro (20 GHz) ... 45
Figura 47: Atraso para as várias ordens do filtro Butterworth. ... 45
Figura 48: BER em função do tamanho da fibra. ... 46
Figura 49: Dessintonia num filtro butterworth, para vários comprimentos de fibra. ... 46
Figura 50: BER em função do desvio de frequência central, para várias ordens de um filtro de Chebyshev. ... 47
Figura 51: Magnitude do filtro Chebyshev (100 GHz). ... 47
Figura 52: Magnitude do filtro Chebyshev (20 GHz). ... 48
Figura 53: Atraso para as várias ordens do filtro Chebyshev. ... 48
Figura 54: BER em função do comprimento da fibra. ... 49
Figura 55: BER em função do desvio da frequência central para vários comprimentos de fibra (num filtro Chebyshev). ... 49
Lista de Tabelas
Tabela 1: Parâmetros globais do sistema. ... 25
Tabela 2: parâmetros dos componentes experimentais da montagem de ROF. ... 30
Tabela 3: Parâmetros utilizados na simulação de rádio digital sobre fibra. ... 32
Tabela 4: Parâmetros dos componentes experimentais da montagem de DROF. ... 37
Tabela 5: Parâmetros mais relevantes do esquemático de NG-PON2. ... 40
Tabela 6: Máximo desvio da frequência central, para vários comprimentos de fibra. ... 44
Tabela 7: Máximo desvio da frequência central, para vários comprimentos de fibra. ... 46
Lista de Acrónimos
ADC Analog-to-Digital Converter
AM Amplitude Modulation
APD Avalanche Photodiode
BER Bit Error Rate
BOSA Bi-directional Optical Sub Assembly
BS Base Station
CS Central Station
DAC Digital-to-Analog Converter
DC Direct Current
DCF Dispersion Compensating Fiber
DFB Distributed Feedback Laser
DROF Digital Radio Over Fiber
EVM Error Vector Magnitude
FFT Fast Fourier Transform
FM Frequency Modulation
FSAN Full Service Acess Network
FTTH Fiber to the Home
GPON Gigabit Passive Optical Network
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
ITU-T International Telecommunication Union - Telecommunication LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
LED Ligth Emitting Diode
MMF Multi Mode Fiber
MZM Mach-Zehnder Modulator
NG-PON2 Next Generation Passive Optical Network
NRZ Non Return to Zero
OLT Optical Line Termination
OMI Optical Modulation Index
ONU Optical Network Unit
PON Passive Optical Network
QAM Quadrature Amplitude Modulation
RAP Remote Acess Point
RAU Remote Antenna Unit
RF Radio Frequency
RIN Relative intensity noise
ROF Radio Over Fiber
SBS Stimulated Brillouin Scattering
SER Symbol Error Rate
SMF Single Mode Fiber
SNR Signal-to-Noise Ratio
SPM Self Phase Modulation
TWDM Time and Wavelength Division Multiplexing VCSEL Vertical-cavity surface-emitting laser WDM Wavelength Division Multiplexing XG-PON 10 Gigabit Passive Optical Network
1. Introdução
1.1. Contexto e motivação
Atualmente as telecomunicações desempenham um importante papel na vida dos cidadãos. Sendo este um mercado com muita procura, é natural que a concorrência entre fornecedores deste serviço seja feroz e, por isso, a busca por novas tecnologias que venham saciar a necessidade crescente por largura de banda é incessante. As antigas tecnologias baseadas em linha de cobre já atingiram os seus limites e cada vez mais se aposta em tecnologias óticas.
Devido ao desenvolvimento crescente no domínio ótico, os operadores viram a oportunidade de fazer crescer a capacidade das suas redes de distribuição de sinal de rádio, tendo surgido soluções de transmissão de rádio sobre fibra: ROF (Radio over
Fiber) e DROF (Digital Radio over Fiber).
Estas tecnologias apresentam-se como muito promissoras, uma vez que permitem simplificar as arquiteturas das estações base de antenas remotas, transferindo funções complexas para uma estação central. Uma vez que as redes em fibra ótica apresentam uma elevada capacidade de transmissão, estas permitem implementar redes de banda larga para transmissão de rádio sobre fibra entre estações base e estação central. [1]
Os sinais no domínio digital apresentam uma maior robustez contra o ruído e também um melhor desempenho. [1] Ao efetuar a digitalização de sinais de rádio frequência é possível manter a gama dinâmica independente da distância até ao ponto em que já não é possível transmitir o sinal sem erros. Desta forma, a transmissão do sinal no domínio digital permite obter uma maior gama dinâmica que pode ser mantida ao longo de maiores distâncias, comparativamente com o caso analógico. [2]
Como já foi referido, as soluções anteriores permitem uma redução da complexidade dos equipamentos utilizados, que leva a uma redução dos custos de operação. No entanto, as empresas de telecomunicações procuram cada vez mais reduzir os custos de operação e de investimento no upgrade das suas redes, o que conduziu ao estudo de várias tecnologias e arquiteturas, sendo que algumas normas das redes óticas passivas (PON) foram aprovadas pelo ITU-T [3] (International
Telecommunication Union – Telecommunication) e pelo IEEE [4] (Institute of Eletrical and Electronics Engineers).
Apesar de as redes atuais já possuírem características bastante interessantes, estas deixarão de satisfazer as necessidades de largura de banda dos utilizadores. De forma a corrigir a sobrecarga que as redes de acesso estarão sujeitas, continua-se a estudar novas tecnologias, que são conhecidas como NG-PON (Next Generation
Passive Optical Networks), que irão providenciar maior largura de banda, maior número
de clientes e maior alcance, ao mesmo tempo que permitem a coexistência entre as suas precedentes, poupando assim dinheiro em substituições de material e em custos operacionais.
As redes óticas passivas de próxima geração podem-se dividir, segundo o FSAN [5] (Full Service Acess Network), em dois tipos: NG-PON1 e NG-PON2. As primeiras são definidas como soluções a médio prazo e as segundas a longo prazo.
Sendo um dos principais elementos em NG-PON2, o filtro de seleção de canal pode introduzir sérios erros caso não sejam bem conhecidas as suas características. Desta forma é imperativo estudar o seu comportamento quando sujeito a uma série de alterações das suas características de funcionamento.
1.2. Objetivos
A presente dissertação tem como principais objetivos:
Estudar a transmissão de sinal RF analógico e digital sobre fibra, ROF e DROF, respetivamente.
Observar o impacto de parâmetros associados a diferentes componentes do sistema ROF, nomeadamente:
o Ponto de funcionamento do modulador ótico (tensão de polarização e amplitude do sinal elétrico modulante), o Potência de emissão do Laser,
o Comprimento total de fibra ótica.
Observar o impacto da alteração de importantes parâmetros em sistemas DROF:
o Número de bits de resolução, o Comprimento total de Fibra ótica.
Estudo de vários parâmetros que afetam o filtro de seleção de canal em NG-PON2:
o Tipo de filtro e ordem,
o Resposta em amplitude e fase, o Desvio da frequência central.
1.3. Estrutura da Dissertação
O presente trabalho está dividido em 5 capítulos. O primeiro capítulo apresenta a motivação e os objetivos definidos para este trabalho. O segundo capítulo contém uma introdução aos componentes do sistema em estudo, assim como os principais parâmetros e fenómenos limitativos associados a cada um. O terceiro capítulo apresenta os conceitos envolvidos nas tecnologias de rádio sobre fibra estudadas (analógica e digital), assim como a arquitetura destas e principais vantagens e desvantagens. Ainda no terceiro capítulo também se apresenta uma breve descrição de NG-PON2 e de um importante componente desta tecnologia, o BOSA. No quarto capítulo apresentam-se resultados de simulação e experimentais para a transmissão de rádio digital e analógico sobre fibra, e apresentam-se resultados de simulação para o estudo do filtro de seleção de canal em NG-PON2. No último capítulo apresentam-se as conclusões deste trabalho, e possíveis desenvolvimentos futuros.
1.4. Principais Contribuições
O presente trabalho apresenta as seguintes contribuições para os temas abordados:
Análise do desempenho de sistemas de rádio analógicos sobre fibra, por simulação e experimentalmente.
Análise do desempenho de sistemas de rádio digitais sobre fibra, por simulação e experimentalmente.
Análise do filtro de seleção de canal em termos de dessintonia e ordem num contexto de NG-PON2, por simulação.
2. Sistemas Óticos
Neste capítulo serão apresentados os principais componentes que constituem os sistemas óticos das redes de transmissão de dados sobre fibra, e fenómenos óticos associados, que limitam essa transmissão. Dos elementos destes sistemas podem-se destacar os lasers, moduladores, fibra, díodos PIN e amplificadores óticos.
2.1. Laser
Laser é um acrónimo em inglês para Light Amplification by Stimulated Emission
Radiation (ou, em tradução livre, Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de
Radiação). O laser não é mais do que um oscilador com amplificação, realimentação e seletor de frequência. Um laser semicondutor é constituído por um meio ativo de átomos, moléculas e iões capazes de emitir radiação, também possui uma fonte de energia que tem o propósito de estimular os átomos do meio ativo, e uma cavidade ressonante formada por espelhos onde os fotões são refletidos. [6] Existem quatro tipos de laser com uso mais difundido: laser de Fabry-Perot, laser DBF, laser sintonizável e laser VCSEL.
2.1.1. Intensidade relativa de Ruído
A intensidade relativa de ruído (RIN) é definida como a flutuação da potência ótica do laser, que é a potência do ruído normalizada ao nível da potência média. Estas flutuações podem ser devidas a: variações do ganho médio do laser, da transferência do ruído gerado na fonte de luz ou simplesmente gerada por vibrações na cavidade do laser. [7] Este parâmetro apresenta valores típicos de 150 dB/Hz e foi este o valor usado na simulação. [8]
2.1.2. Largura de Linha
A largura de linha (linewidth), tipicamente de um laser de frequência única, descreve-se como a largura do seu espetro ótico, mais rigorosamente é a largura da densidade espetral de potência do campo elétrico emitido em termos de frequência. [9] O valor usado para este parâmetro foi 100 kHz.
2.2. Modulação de intensidade
A modulação é um parâmetro importante quando se fala em transporte de informação através de um feixe de luz; podem ser usadas duas formas de modulação de intensidade: a direta e a externa. A modulação direta é o resultado da variação direta da corrente de drive do laser com o objetivo de variar a potência ótica à saída do laser; já no caso da modulação externa, esta tem o intuito de variar um nível de potência ótica fixa emitida pelo laser.
2.2.1. Modulação direta de díodos de laser
Neste tipo de modulação, como já foi referido, a informação é modulada diretamente sobre a corrente de controlo do laser, dando assim origem a um formato de modulação em intensidade que é relativamente simples e que não necessita de um bloco externo para modular os dados.
2.2.1.1. Chirp
Este fenómeno está relacionado diretamente com a largura de linha e quando se considera uma transmissão num sistema ótico, a largura de linha do laser depende do
chirp. Este fenómeno define-se como uma variação indesejada da frequência de saída
do laser, ao longo do tempo, que conduz a um aumento da largura de linha de cada sinal, como consequência da variação da corrente de bias associada à modulação direta. O chirp de um pulso ótico é normalmente entendido como a dependência temporal da sua frequência instantânea. Quando ocorre o fenómeno do aumento da frequência instantânea dá-se o nome de up-chirp, e quando ocorre o contrário apelida-se de down-chirp. [10]
2.2.1.2. Eficiência da modulação em amplitude
A eficiência da modulação em amplitude tem que ver com a relação entre a amplitude do sinal de saída e do sinal de entrada, sendo de extrema importância observar o declive da curva característica. Quanto maior for o declive maior é a amplitude à saída do modulador e, portanto, verificar-se-á um melhor ganho de modulação, e melhor SNR. Na Figura 1 observa-se como a potência ótica de saída varia com a corrente de entrada.
Figura 1: Variação da potência ótica de saída com a corrente de entrada [11]
Este ganho é variável com a frequência e portanto deve ser especificado a que frequência corresponde um determinado valor de ganho. [7]
2.2.1.3. Não Linearidade: Clipping
O clipping do laser ocorre quando o índice de modulação ótico (OMI) do laser é demasiado elevado. Este índice corresponde ao rácio do pico de potência ótica em relação ao seu valor médio, e é definido no transmissor através do ajuste da amplitude do sinal RF modulante. Quando o pico da corrente de modulação excede o threshold, ocorre o clipping da saída ótica, como se verifica na Figura 2. [12]
Figura 2: Efeito de Clipping no laser [13]
2.2.2. Modulação externa
A modulação externa tem o intuito de variar um nível de potência ótica fixa emitida pelo laser e nesta secção ir-se-á apresentar o modulador externo
Mach-Zehnder.
2.2.2.1. Mach-Zehnder
Este modulador externo é baseado no efeito do interferómetro Mach-Zehnder, e utiliza o princípio de interferência construtiva e destrutiva entre a fase dos sinais que se irão propagar em cada um dos braços do modulador (formados por guias de onda). Este tipo de modulador pode fazer modulação em intensidade recorrendo ao uso de um material eletro-ótico e ao efeito do interferómetro. Caso seja aplicada uma tensão
externa, os índices de refração dos materiais eletro-óticos podem ser alterados; se não se verificar a existência de uma tensão externa, os campos óticos nos dois braços do interferómetro irão sofrer deslocamentos de fase semelhantes e irão interferir construtivamente. O desfasamento de fase adicionalmente introduzido num dos braços, devido a mudanças no índice de refração induzidas por tensão irá reduzir a natureza construtiva da interferência e reduzir a potência do sinal transmitido. Quando existe um desfasamento de valor π entre os dois braços, não será transmitido qualquer sinal porque ocorre uma interferência destrutiva completa. [14]
2.2.2.1.1. Regime linear do Mach-Zehnder e Eficiência
O modulador Mach-Zehnder é um bloco básico usado no desenho de sistemas óticos de telecomunicações analógicas de modulação em amplitude e a característica destes dispositivos tem a forma de um cosseno. De modo a que o dispositivo tenha um comportamento linear e com um mínimo de distorção, deve-se polarizar na zona mais linear da curva característica.
Na Figura 3 pode-se verificar que o declive do ponto A para o ponto C tem uma influência direta com a amplitude do sinal de saída. Quanto maior for o declive, maior poderá ser a amplitude do sinal de saída, tendo em conta o ponto onde se aplica o sinal de entrada, e portanto maior será a eficiência.
Figura 3: Eficiência de transmissão do MZM em função da tensão aplicada. [15]
2.2.2.1.2. Propriedades não lineares: Multiplicação de Frequência e Produtos de intermodulação
A multiplicação de frequências é um regime não-linear que está associado ao uso do modulador Mach-Zehnder. Ao aplicar uma tensão elétrica na entrada de modulação ir-se-á provocar modulação não linear do sinal ótico de entrada, com um ou
adicionalmente aplicado à entrada de modulação indo, portanto, causar multiplicação de frequência. [15] Um exemplo é caso se pretenda obter o dobro da frequência usando um MZM, sendo este polarizado na zona onde a transferência de potência será máxima.
Outra característica não linear associada a este tipo de dispositivos é a intermodulação. Esta consiste numa modulação do sinal com frequências indesejadas. A intermodulação entre cada componente da frequência irá formar sinais adicionais a frequências que não são normalmente frequências harmónicas do sinal de entrada, sendo muito regularmente somas ou diferenças de frequência da frequência original. O sinal de saída pode ser então estimado recorrendo a séries de Taylor. [15]
2.3. Fibra Ótica
A fibra ótica é um componente de essência fulcral nas redes óticas, uma vez que funciona como meio de propagação do sinal ótico emitido. Durante a propagação neste meio, o sinal vai sofrer vários fenómenos lineares, não lineares ou uma combinação de ambos, e que irão afetar a performance do sistema. Estes fenómenos irão causar limitações na distância de transmissão e na taxa de transmissão, pelo que serão alvo de análise neste capítulo.
Dependendo do número de modos, as fibras poderão ser classificadas em dois grupos: monomodo e multimodo. As fibras de modo único são usadas quando se pretende propagar apenas um modo, possuindo um núcleo de menor diâmetro em comparação com as fibras multimodo. As segundas têm um maior número de modos que podem propagar, devido ao aumento do diâmetro do seu núcleo e da abertura numérica. Em termos de distância de propagação, as de modo único são usadas para elevadas distâncias enquanto as outras são utilizadas em ligações de menor distância. [12]
2.3.1. Propriedades Lineares
Nas ligações de fibra ótica estão sempre presentes duas propriedades lineares: a atenuação e a dispersão. Estas duas propriedades irão ter influência na distância e ritmo de transmissão máximos de propagação do sinal.
2.3.1.1. Atenuação
A atenuação é a forma de quantificar a quantidade de sinal ótico que é perdido durante a transmissão do sinal e esta varia de forma exponencial dependendo da distância de propagação, como se verifica na equação seguinte [15]:
Na equação anterior, αp é o coeficiente de atenuação na fibra expresso em km-1
e P0 é a potência do sinal, quando se inicia a propagação e x é a distância que é
percorrida. Usualmente, utiliza-se a equação seguinte para exprimir a atenuação em dB/km [15]:
Na Figura 4 apresenta-se a variação do coeficiente de atenuação em função do comprimento de onda. Existem 3 regiões onde a atenuação é reduzida, que foram sendo utilizadas nos diferentes sistemas de comunicações óticas ao longo do tempo, sendo que atualmente se opera na janela dos 1550 nm (3ª janela), correspondendo a uma atenuação de aproximadamente 0.2 dB/km.
Figura 4: Atenuação nas 3 janelas principais de transmissão sobre fibra. [16]
2.3.1.2. Dispersão Cromática
A dispersão cromática define-se como um alargamento temporal do impulso ótico transmitido, que ocorre num único modo. Esta é resultante do facto da velocidade de grupo ser função do comprimento de onda, o que resulta em diferentes componentes espetrais a viajarem a diferentes velocidades dentro da fibra.
A dispersão cromática divide-se em duas componentes: a dispersão no material e a dispersão no guia de onda. A dispersão no material ocorre devido às variações, com a frequência, do índice de refração da sílica, provocando uma dependência direta da velocidade de grupo com o comprimento de onda. Já no caso da dispersão no guia de onda, este tem a ver com a forma como a energia está distribuída entre o núcleo da fibra e a bainha, que é também dependente do comprimento de onda. [12]
As duas componentes descritas anteriormente dão origem à dispersão cromática como se ilustra na Figura 5.
𝜶𝒅𝑩/𝒌𝒎= 𝟏𝟎 𝑳 . 𝐥𝐨𝐠( 𝑷𝒊𝒏 𝑷𝒐𝒖𝒕 )
Figura 5: Dispersão cromática, resultante da combinação da dispersão material e dispersão do guia de onda em função do comprimento de onda [17].
2.3.1.3. Desvanecimento de Potência
Um dos maiores impactos na transmissão sobre fibra ótica é a degradação pela dispersão cromática, que no caso de se ter um sinal RF sobre uma portadora ótica se traduzirá num desvanecimento (periódico) da potência do sinal ao longo da propagação na fibra. [18] Na Figura 6 pode-se observar uma análise numérica do comportamento da potência do sinal RF em função do comprimento de fibra, para diferentes frequências da portadora:
Figura 6: Efeito do desvanecimento ao longo de uma fibra [18].
Como é possível observar, cada frequência RF apresenta nulos na potência recebida, em diferentes valores do comprimento da fibra.
2.3.2. Propriedades não lineares da fibra
Adicionalmente à atenuação e dispersão, as fibras também introduzem efeitos não lineares que ocorrem devido à resposta não linear do meio perante sinais óticos de elevada intensidade. As propriedades não lineares da fibra têm uma história relativamente recente, uma vez que começaram a ser investigadas nos anos 60. Entre as mais interessantes de estudar estão: espalhamento estimulado de Raman, o espalhamento estimulado de Brillouin, a auto-modulação de fase, a modulação de fase cruzada e a mistura de quatro ondas. A seguir ir-se-á explicar em que consiste cada um destes fenómenos, ainda que de forma sucinta, uma vez que os efeitos não lineares não têm um impacto significativo nos testes apresentados mais adiante.
2.3.2.1. Espalhamento estimulado de Raman
O espalhamento estimulado de Raman (SRS – Stimulated Raman Scattering) é de particular interesse, já que pode transformar as fibras óticas em amplificadores. Este é um efeito limitador nos sistemas multicanal, uma vez que causa a transferência de potência de uns canais para os outros. Este espalhamento é causado pela interação entre o sinal propagado e as propriedades intrínsecas da fibra; quando um fotão incidente perda sua energia, surge outro fotão com energia inferior e assim sucessivamente, sendo que o sinal propagante atua como uma fonte de fotões que permite a geração destes com energia inferior e que estão deslocados em frequência do sinal original, criando assim o espalhamento estimulado de Raman. [19]
2.3.2.2. Espalhamento estimulado de Brillouin
O espalhamento estimulado de Brillouin (SBS – Stimulated Brillouin Scattering) coloca uma limitação ao limite superior da potência ótica máxima que pode ser lançada eficientemente na fibra. Quando o limite, que é dependente da largura de linha da fonte ótica, é ultrapassado uma significante parte da luz transmitida é redirecionada para o transmissor, causando assim reflexões no sinal ótico transmitido, degradando a BER (Bit Error Rate).
2.3.2.3. Auto modulação de fase
A auto modulação de fase (SPM – Self Phase Modulation) é devida à dependência do índice de refração do núcleo da fibra com a potência, levando ao alargamento espetral do sinal.
2.3.2.4. Modulação de fase cruzada
presentes nos outros canais (com outros comprimentos de onda). O seu impacto depende do espaçamento entre os canais.
2.3.2.5. Mistura de quatro ondas
A mistura de quatro ondas ocorre quando a luz de dois ou mais comprimentos de onda é lançada numa fibra e interagem entre si na sequência do batimento de frequências três a três (por exemplo), originando novas frequências.
2.4. Recetores
Neste capítulo ir-se-ão apresentar os recetores PIN e APD, sendo apresentadas algumas características dos mesmos e as diferenças principais entre ambos.
2.4.1. Díodos PIN
O fotodíodo do tipo PIN é um tipo de fotodetetor que converte sinais óticos em sinais elétricos. Esta tecnologia foi inventada nos anos 50 e desde então tem obtido uma relevância bastante elevada. [20]
Neste tipo de díodos é introduzida uma ligeira camada intrínseca entre as regiões p e n do semicondutor; a camada intrínseca é bombardeada com portadores de cargas das regiões p e n até que se atinge um equilíbrio (número de lacunas é igual ao número de eletrões), começando então a conduzir corrente. Ao comparar a largura da região p e n com a largura da região intrínseca verifica-se que as regiões p e n são muito mais pequenas quando comparadas com a largura da região intrínseca e portanto tem-se que grande parte da absorção da luz se processa nesta região e isto vem aumentar a eficiência e responsividade do fotodíodo. Adicionalmente, ao polarizar inversamente a região intrínseca, verifica-se uma redução da região de depleção e uma redução da capacidade da junção, o que irá fornecer um aumento na largura de banda. A presença da região intrínseca também aumenta a sensibilidade para a luz e fornece uma região de elevado campo elétrico. Assim, o principal objetivo destes dispositivos é a deteção de sinais óticos, mantendo uma boa relação sinal-ruído. [15]
As principais fontes de ruído num fotodíodo são o ruído quântico, o ruído térmico e o ruído devido à corrente escura. O ruído quântico é uma consequência da característica aleatória do processo de foto-deteção, o segundo (ruído térmico) tem como origem a variação da temperatura e o ruído devido à corrente escura ocorre mesmo na ausência de luz devido a fugas de corrente e devido à excitação térmica dos portadores.
A característica de maior relevo para o trabalho apresentado neste documento é a sensibilidade, que consiste na potência ótica recebida necessária para se obter um determinado desempenho mínimo do sistema.
2.4.2. Díodo de Avalanche
O díodo de avalanche (APD) é um dispositivo semicondutor que quando polarizado ao contrário (reverse-biased), cria fortes campos elétricos na região da junção. Quando um fotão provoca um par eletrão-lacuna, este par atravessa a junção. Devido ao forte campo elétrico presente na junção, o eletrão ganha energia suficiente para provocar pares eletrões-lacunas secundários, que por sua vez irão gerar outros. E assim ir-se-á provocar um processo de multiplicação sucessivo (avalanche) e será gerada uma corrente substancial devido aos fotões iniciais. Consequentemente, a corrente total produzida é maior que a primeira foto-corrente gerada, sendo este processo de amplificação de corrente ocorrido dentro do fotodíodo. [15]
2.5. Conclusões
A importância deste capítulo prende-se com a apresentação dos vários componentes que constituem um sistema ótico, assim como identificar problemas na transmissão de informação, especialmente em sistemas de Radio over Fiber. É de extrema importância a apresentação dos fenómenos aqui discutidos, de modo a entender os resultados experimentais que mais para a frente serão discutidos. Começou-se por apresentar os lasers, de seguida passou-se aos moduladores, depois a fibra e por fim os recetores.
3. Sistemas de transmissão de Rádio em redes de
acesso de próxima geração
Atualmente verifica-se a existência de uma grande panóplia de ofertas relacionadas com a transmissão de dados móveis e, por isso, tem-se constatado que existe um rápido aumento da popularidade dos sistemas de rádio e por este motivo os operadores são forçados a aumentar a sua capacidade de oferta de serviços fiáveis e rápidos, à custa do aumento da capacidade das redes já existentes. Neste sentido surgiu uma tecnologia que promete trazer benefícios em termos de custo de instalação e manutenção para as operadoras: transmissão de sinais rádio através de fibra. Com esta solução pode-se simplificar as unidades de rádio e transferir todo o equipamento de processamento para um central office, tornando o sistema muito mais simples.
De seguida apresentam-se os dois tipos de transmissão de rádio sobre fibra (digital e analógico), as suas vantagens e desvantagens, a arquitetura de ambos e ainda uma comparação entre eles. Também é apresentada a tecnologia NG-PON2 e um dos seus componentes, o BOSA.
3.1. Radio over Fiber (ROF)
Radio over Fiber é uma tecnologia que permite a transmissão de sinais de rádio
através de fibra ótica. Esta tecnologia assenta no conceito que uma antena recebe múltiplos sinais de rádio e seguidamente esses sinais serão transmitidos para um ponto central (Central Station - CS) onde serão processados. Esta centralização do dispendioso equipamento de processamento de sinal e de rádio e também a simplificação das antenas remotas (Remote Antenna Units – RAU’s) converte-se em poupanças significativas para os operadores de telecomunicações. Desta forma é possível poupar recursos e distribuir os sinais, através de fibra ótica, com perdas de 0.5 dB/km para 1310 nm e 0.2 dB/km para 1550 nm. Pode-se observar na Figura 7, um esquema relativamente simplificado de um sistema de Radio over Fiber:
Com o uso desta tecnologia as RAUs/RAPs (Radio Acess Point) apenas precisam de realizar conversão dos sinais óticos para elétricos e amplificá-los, tornando-se extremamente mais simples. Com a centralização dos equipamentos, nas Control
Stations, garante-se a partilha do equipamento, uma alocação dinâmica dos
equipamentos, manutenção e operação mais baratas; todos os pontos anteriores traduzem-se em enormes poupanças em instalações, especialmente em locais onde a densidade de células é superior. [21]
Figura 7: Esquema de um sistema de transmissão de rádio sobre fibra.
3.1.1. Vantagens
Quando se fala de vantagens inerentes à transmissão de rádio sobre fibra surge, logo à partida, o facto de a transmissão de sinal através de fibra sofrer muito baixa atenuação quando comparado com a transmissão através de outro qualquer meio. A distribuição de ondas elétricas em espaço livre ou através do uso de cabos acarreta alguns problemas e é bastante dispendiosa, pelo que o uso de fibra vem solucionar esta questão uma vez que esta oferece muito baixa atenuação e também permite a transmissão a elevadas frequências, não necessitando de conversores up/down, para alterar a frequência antes da transmissão. [22]
Com base no anterior, surge uma nova vantagem que é a simplificação das RAU’s. O facto de não necessitar de conversão up/down na frequência permite que não sejam necessários osciladores locais. Outro pormenor interessante em relação à simplificação das RAU’s é que com o uso desta tecnologia uma base-station apenas necessita de um conversor ótico-elétrico, amplificadores de Rádio Frequência e antenas, todo o restante equipamento poderá ser centralizado e utilizado por várias RAU’s. [23]
A elevada largura de banda é também um ponto positivo nos sistemas de rádio sobre fibra. Existem três janelas de transmissão que oferecem baixa atenuação, nomeadamente 850 nm, 1310 nm e 1550 nm, e quando se usam estas três janelas com uma fibra SMF (Single Mode Fiber), a largura de banda combinada das três excede os 50 THz. No entanto, apenas se usa uma fração desta largura de banda, devido às limitações impostas pelos equipamentos elétricos existentes. [22]
Também se destaca a imunidade à interferência de rádio frequência como uma propriedade muito interessante destes sistemas. Uma vez que os dados são transmitidos sobre a forma de luz através da fibra, este tipo de transmissão é imune à
interferência rádio e por esse mesmo motivo é também conferida segurança e privacidade à transmissão ótica.
Como já referido anteriormente, o ROF permite a transferência de todo o equipamento complexo e dispendioso (osciladores locais e equipamentos relacionados) para um central-office onde será feito todo o processamento do sinal. Este central-office será partilhado por várias RAU’s, tornando-as mais simples e menos dispendiosas. Obviamente que o anterior conduz a uma mais fácil e barata instalação e manutenção. Uma vez que as RAU’s são simplificadas em número de equipamentos, o seu consumo energético também será menor. Esta vantagem é importante, uma vez que existem antenas localizadas em locais remotos, por vezes sem energia proveniente da rede elétrica e nestes casos a eficiência energética torna-se fulcral.
3.1.2. Desvantagens
Apesar de todas as vantagens que foram enumeradas no ponto anterior, esta tecnologia também tem algumas desvantagens inerentes.
As ligações óticas analógicas que usem técnicas de rádio sobre fibra sofrerão dos efeitos acumulados do ruído e distorções induzidas pela não linearidade da fibra ótica e dos componentes da ligação ótica. Estes efeitos não lineares serão ainda mais pronunciados quando estes sistemas são sujeitos a elevados bitrate, elevadas potências de transmissão ou o uso de WDM. [21]
Analisando então toda a ligação, poder-se-á começar pelo laser; este elemento possui uma maior largura de banda e menor largura de linha, quando comparado com o LED. A importância da largura de linha é de extrema importância para minimizar o impacto da dispersão cromática, e esta terá que ser o mais baixa possível, pelo que os lasers deverão ser usados em detrimento dos LEDs. Esta dispersão cromática aumenta à medida que se aumenta a frequência do sinal RF; este aumento de dispersão cromática irá contribuir para um substancial decréscimo na performance dos sistemas de distribuição. Outro fator a ter em consideração é o chirp associado, caso se use modulação direta, uma vez que este alarga o espectro do sinal propagante devido à dependência da frequência de operação com as variações da corrente de bias. Um outro parâmetro a ter em conta, aquando da escolha do laser, é a intensidade relativa de ruído que é responsável pela degradação do sinal propagante, limitando a sua relação sinal ruído (SNR). Poderão ainda surgir fenómenos de clipping caso o laser não esteja corretamente polarizado ou, ainda, caso o sinal de RF tenha uma amplitude demasiado elevada. Os fenómenos de chirp e clipping poderão ser minimizados ou eliminados recorrendo ao uso de um modulador externo (como por exemplo, um modulador
Mach-Zehnder).
O uso de moduladores Mach-Zehnder irá introduzir não-linearidades, nomeadamente a intermodulação, que conduzirá à degradação da relação sinal-ruído. A forma de minimizar este efeito será levar o modulador a funcionar na região linear de funcionamento.
Os sistemas de ROF utilizam um método de transporte de sinal que é analógico e que sofre, inerentemente, de distorção causada por intermodulação que, por sua vez, é devida à não-linearidade dos componentes óticos e de micro-ondas do sistema; em conjunto, estes fatores irão provocar um limite ao desempenho do sistema. [1] O efeito
de dispersão ir-se-á pronunciar de forma ainda mais acentuada à medida que se aumenta a frequência do sinal RF a transmitir na fibra e este será ainda mais um fator de encurtamento da distância de propagação, como já foi referido anteriormente.
Com a intenção de aumentar o alcance do sinal na fibra utilizam-se, muitas vezes, amplificadores óticos e quando se escolhe este tipo de equipamentos deve-se ter em conta a figura de ruído associada. Um outro aspeto que se deve ter em atenção é impedir a sua saturação, para que estes não introduzam ainda mais fenómenos não lineares no sistema.
No final da cadeia deste sistema encontra-se a receção, que será feita com foto díodos PIN. O uso destes componentes implica a introdução de ruído no sistema, piorando a relação sinal-ruído no recetor.
3.1.3. Técnicas de deteção
Nos sistemas de ROF existentes encontram-se dois tipos de técnicas de deteção: deteção direta e deteção coerente.
A maioria das Base-Stations de hoje utiliza a técnica de deteção direta, pelo facto de as manter relativamente simples. Nesta técnica o campo elétrico da luz incidente no recetor é diretamente convertido numa corrente elétrica usando o fotodíodo PIN. Esta opção torna-se, portanto, a opção mais simples, contudo a relação sinal-ruído degrada-se de uma forma mais intensa quando comparada com o esquema de deteção coerente. No entanto o sinal elétrico, resultante do processo de foto deteção, dependerá apenas do sinal ótico recebido, não sendo muito afetado pelo ruído de fase que afeta os sistemas de deteção coerente. [21]
Na deteção coerente, o sinal ótico e um sinal proveniente de um laser local são adicionados antes da deteção no fotodíodo. Esta solução permite obter uma melhor relação sinal-ruído, no entanto isso deve-se a um aumento da complexidade. Esta solução apresenta-se como a mais dispendiosa devido à sua complexidade e sensibilidade ao ruído de fase; devido ao seu custo não é muito utilizada nos dias de hoje. [24]
3.2. Digital Radio over Fiber (DROF)
As redes sem fios baseadas em transmissão de sinais rádio sobre fibra é uma tecnologia promissora e que vem responder à crescente procura por larguras de banda cada vez maiores. Esta abordagem apresenta o problema de necessitar de ligações de fibra muito lineares, de modo a conseguirem ter ganho suficiente para fazer o transporte do sinal até à antena. Outra problemática é a distorção intermodulação, sofrida pela fibra, derivada de não linearidades dos componentes de rádio e óticos. [1] Deste modo é necessário recorrer a técnicas especiais de linearização da função transferência dos componentes utilizados na ligação e este processo leva à introdução de maior complexidade e ruído.
por elas; no entanto, para que possam cobrir grandes áreas, serão necessárias muitas RAUs. [25]
É neste ponto que a digitalização do sinal traz vantagens face à transmissão do sinal analógico. Uma vez que o sinal RF que será transportado na fibra se encontra previamente digitalizado então poder-se-ão retirar vantagens em termos dos benefícios do elevado desempenho dos sistemas digitais.
3.2.1. Vantagens
Depois do processo de digitalização do sinal RF, é gerado um sinal digital que tem agora muito mais vantagens em termos de transmissão numa ligação ótica. Este tipo de sinal pode ser usado diretamente para modular um laser, sendo transmitido sobre uma fibra ótica e detetado como qualquer outra informação digital. Fazendo o anterior, será conseguida uma maior simplificação das BS (recorrendo à modulação em intensidade e deteção direta), uma vez que apenas será necessário um mínimo de
hardware de front-end. [1] Outra vantagem que advém da digitalização é a maior
imunidade ao ruído: caso seja transmitido um “1” ruidoso, ele é recebido como “1” e o mesmo conceito se aplica para o símbolo “0”.
Uma outra vantagem são os recentes avanços nos conversores analógico-digital (ADC) e nos conversores digital-analógico (DAC), que tornaram possível a transferência destes desde o central office até às estações base. Em adição, esta deslocação também irá trazer alguma simplificação das BS, uma vez que algumas funcionalidades serão realizadas no domínio digital. [21]
3.2.2. Desvantagens
A nível dos pontos menos vantajosos deste sistema deve-se começar pelos seus elementos mais importantes: as ADC’s e DAC’s. Estes elementos requerem uma taxa de amostragem extremamente alta de, pelo menos, duas vezes a frequência da portadora (cumprindo o Teorema de amostragem de Nyquist) e deste modo consegue-se uma reconstrução exata do sinal. De modo a cumprir o anterior, estes elementos irão apresentar um custo muito elevado e também introduzir alguma instabilidade no sistema. [1] De modo a solucionar esta problemática é necessário introduzir, adicionalmente, componentes de RF (como misturadores e osciladores locais) na estação base (BS). Para além do exposto, também é importante ter em conta que na maioria dos serviços sem fios apenas é usada uma pequena fração da largura de banda para transportar a informação. Consequentemente, será necessário usar a técnica de amostragem da banda de passagem, que permite usar frequências mais baixas, dependendo da largura de banda da mensagem que se pretende transmitir, em detrimento das frequências requeridas pelo Teorema de Nyquist. Esta técnica traz novas vantagens como a simplificação das BS’s, através da eliminação dos componentes necessários para conversão de frequências. [21]
Seguidamente é importante realçar o ruído que está associado a esta tecnologia, que se deve sobretudo às transmissões analógicas. No transmissor e recetor, a maioria do ruído é devido aos conversores analógico-digital e digital-analógico; este ruído é dividido em ruído de jitter e ruído de quantização. O ruído de jitter é devido ao jitter
presente no relógio de amostragem e quanto maior for a frequência de relógio de uma DAC/ADC, maior é o ruído de jitter. No entanto nas DACs, este é devido ao processo
zero order hold, que é utilizado para contornar o problema da geração de um trem de
impulsos. Em relação ao ruído de quantização, a proveniência deste são as não-linearidades dos sinais analógicos presentes à entrada da ADC e que se manifestam numa larga banda na saída da ADC. Este tipo de ruído surge do erro de arredondamento entre a tensão analógica de entrada na ADC e o valor digital presente na saída desta, e irá provocar uma limitação na gama dinâmica da ADC. Segundo [21], o incremento da resolução da ADC irá provocar um decrescimento exponencial do erro de quantização, sendo que para resoluções abaixo de 8 bits, este é o ruído predominante no sistema DROF, enquanto para resoluções acima deste valor serão predominantes o jitter e o ruído no díodo recetor.
3.2.3. Amostragem de Banda de Passagem (bandpass Sampling)
A teoria da amostragem de banda de passagem oferece uma solução atrativa para reduzir a taxa de amostragem num processo de digitalização de um sinal. Esta é uma forma especial de subamostragem que transforma um sinal que tem uma banda de passagem a alta frequência num sinal que tem a sua banda de passagem a baixas frequências, nas proximidades de zero. A teoria clássica diz que para uma amostragem uniforme, o sinal pode ser reconstruído se a taxa de amostragem for de, pelo menos, o dobro da largura de banda da informação. Os sinais reais têm uma transformada de
Fourier que é simétrica à volta da frequência zero e isso é um indicador de que os sinais
possuem um espectro negativo da frequência que é uma cópia espelhada do que está na parte positiva da frequência. Esta teoria permite efetivamente deslocar ambos os lados do espectro através de múltiplas réplicas da frequência de amostragem. Pode-se observar este efeito na seguinte figura:
Figura 8: Espectro após amostragem de banda de passagem [21].
Observando a Figura 8, pode-se concluir que as réplicas do sinal amostrado se repetem em múltiplos inteiros de metade de frequência de amostragem e ocupam todo o espectro. No sentido de recuperar a réplica, basta utilizar um filtro passa banda centrado à frequência central da réplica. Esta frequência central da réplica é muito mais baixa que a frequência original e portanto pode-se concluir que é possível utilizar frequências de amostragem mais baixas, sendo efetuada down-conversion sem recorrer a osciladores locais nem misturadores.
3.2.4. Gama dinâmica de funcionamento
A performance de um sistema de comunicações sem fios é avaliada através da gama dinâmica de funcionamento de todo o sistema e define-se como o leque de níveis do sinal de entrada para os quais o sistema é funcional. [21]
Num sistema de transmissão analógico, as principais limitações à gama dinâmica de funcionamento são as perdas na ligação e o ruído associado, uma vez que cada elemento destes sistemas adiciona perdas e ruído à ligação. No DROF o sinal é imune à degradação causada pelos processos de transporte e de ruído que afetam o sistema analógico.
Ao contrário do que se verifica nos sistemas de transmissão analógica, as perdas e ruído não afetam, de forma significativa, os sistemas de transporte de sinal RF digital devido à natureza discreta do sinal transmitido. Neste tipo de sistemas um “1” ruidoso continua a ser um “1” e o mesmo se aplica ao “0”, a menos que a potência do ruído seja comparada com a potência do sinal e leve à perda de sincronização na ligação. Num sistema de transmissão digital de RF sobre fibra, desde que o sinal seja detetado este será transportado com êxito e portanto, a gama dinâmica de um sistema DROF manter-se-á constante até que o sinal ultrapasse a sensibilidade do recetor.
3.2.5. Arquitetura
Figura 9: Esquema de uma ligação de ROF (a) e esquema de uma ligação DROF (b). [2]
A Figura 9 (a) mostra uma típica ligação analógica de rádio sobre fibra que é a base para o Radio over Fiber. Na figura é possível observar que existe modulação direta do sinal, através de microondas e desta forma é possível manter alguma simplicidade nas BSs (sendo apenas necessário realizar filtragem e amplificação). Caso seja necessário transmitir a frequências superiores terão de se usar moduladores externos e isso conduz a um aumento da distorção, já que as ligações óticas usadas para transmissão de sinais rádio sobre fibra sofrem de distorções por intermodulação, devido às não linearidades dos componentes de rádio e óticos, que constituem a ligação.
Na Figura 9 (b) pode-se observar uma implementação digital onde se devem salientar a introdução de unidades de conversão, de analógico para digital (ADC) e digital para analógico (DAC), nas Base-stations possibilitando a implementação de funções digitais no recetor e no emissor do Central Office. Após a digitalização do sinal RF, é produzido um sinal digital que pode ser usado para modular diretamente o laser. Uma observação importante é que a complexidade de hardware é toda passada para o
Central Office, deixando as BS relativamente simples. [2]
A seguir apresenta-se uma comparação entre a transmissão analógica e a digital:
Figura 10: Comparação entre ROF analógico e digital [26].
Como se pode verificar pela tabela anterior, o preço do equipamento e da rede são mais baixos no Digital Radio over Fiber, no entanto esta forma de transmissão apresenta desvantagens ao nível da transmissão dos dados, uma vez que apresenta um atraso maior e requer sincronização, quando comparado com o Radio Over Fiber.
3.3. NG-PON2
Nos últimos anos tem-se verificado a uma clara evolução na implementação e desenvolvimento da fibra ótica até ao consumidor final (FTTH). Esta tecnologia tem permitido a oferta de aplicações a uma elevada taxa de transmissão, por cliente, e portanto é a tecnologia com maior capacidade de gerar mais receitas. Uma outra vantagem desta tecnologia é que esta permite uma maior eficiência operacional, quando comparada com outras tecnologias de acesso, devido à redução nas necessidades de manutenção e baixo consumo energético.
Como consequência do anterior, as redes FTTH foram desenvolvidas e standardizadas em todo o mundo, no entanto, a necessidade de largura de banda pelos utilizadores e pelos novos serviços obrigou esta tecnologia a evoluir, desde as GPON e XGPON para a NG-PON2. Desta forma e para reduzir os custos operacionais e proteger o investimento inicial, os operadores devem manter o planeamento dos comprimentos de onda, de modo a que haja coexistência entre as diferentes tecnologias PON. [27]
3.3.1. Requerimentos e Arquitetura de NG-PON2
Os requerimentos gerais para NG-PON2 são suportar pelo menos 40Gbit/s da capacidade agregada em downstream para aplicações comerciais e residenciais, mobile
ponto de vista do operador esta é a que acarreta menos riscos, é a menos disruptiva e a mais barata, em comparação com as outras soluções. [27]
A arquitetura do TWDM-PON consiste em ‘empilhar’ quatro pares de comprimentos de onda (por exemplo: {λ1, λ5}, {λ2, λ6}, {λ3, λ7} e {λ4, λ8}), como se pode
verificar na Figura 11. Para que as instalações deste sistema sejam simples, as ONUs estão esquipadas com transmissores e recetores sintonizáveis. O transmissor é sintonizável para qualquer uma das quatro frequências de upstream e o recetor é sintonizável para qualquer uma das quatro frequências de downstream. Com o intuito de aumentar o balanço de potência, em comparação com a arquitetura anterior, foram adicionados amplificadores óticos que são usados no lado da OLT para pré-amplificar os sinais que são enviados e amplificar os sinais recebidos. [28]
Figura 11: Diagrama do sistema TWDM-PON. [28]
Este novo sistema irá aumentar a capacidade das redes óticas passivas. Quando a coexistência das várias PON for considerada, será necessário tomar em atenção o planeamento dos comprimentos de onda, com os quais o NG-PON2 tem de coexistir. A Figura 12 mostra o espetro disponível para NG-PON2.
Figura 12: Planeamento de comprimentos de onda atual. [27]
Um outro fator que limita o espetro disponível são as características dos filtros existentes nos sistemas já desenvolvidos e instalados.
3.3.2. BOSA
Uma forma de implementar NG-PON2 é recorrendo ao uso de transceivers, que são dispositivos que incorporam um recetor e um transmissor no mesmo dispositivo.
Um destes dispositivos é o BOSA, que é usado como término da linha ótica (OLT), mas pode também ser utilizado nas redes de unidades óticas (ONUs). Este dispositivo é constituído por um transmissor, um recetor, um filtro WDM (não presente em todos) e uma fibra pigtail (fibra que possui um conector ótico numa das pontas e a fibra exposta na outra). Normalmente, este tipo de dispositivos necessita de alimentação externa e opera na zona dos Gbit por segundo. [29]
A questão importante neste tipo de dispositivos é que alguns deles possuem um filtro ótico que é usado para a seleção do canal e este filtro precisa de ser estudado, de modo a conhecer quais os parâmetros do mesmo que são mais influentes e que poderão prejudicar a receção ou transmissão de informação, tendo em conta uma implementação segundo NG-PON2.
3.4. Conclusões
Neste capítulo expuseram-se duas formas de transmissão de rádio através de fibra. Na secção 3.1 apresentou-se a transmissão analógica de rádio e na secção 3.2 mostrou-se a transmissão digital de sinais rádio através de fibra. Nele foram apresentadas ambas as tecnologias, assim como as suas vantagens e desvantagens, sendo que se pode concluir que a transmissão de rádio digitalizado é uma melhor alternativa que o ROF convencional porque apresenta um desempenho superior, uma implementação mais simples, é imune a não-linearidades da ligação e ainda apresenta uma gama dinâmica de funcionamento independente da distância de transmissão. [21] Também neste capítulo, apresentou-se uma visão sumária sobre o NG-PON2 e sobre um tipo de equipamento utilizado nesta tecnologia. Mais à frente ir-se-á apresentar todo o estudo feito com o intuito de analisar o filtro que existe no BOSA.
4. Resultados de simulação e experimentais
Neste capítulo apresentam-se resultados obtidos através de simulação e também os resultados experimentais para implementações de rádio analógico sobre fibra, rádio digitalizado sobre fibra e o estudo do filtro de seleção de canal num BOSA utilizado na tecnologia NG-PON2. Para as duas implementações de rádio sobre fibra vai ser estudada a influência de alguns parâmetros no sistema, como por exemplo: tamanho de fibra utilizada no sistema, potência do laser, etc. Já no caso do estudo do filtro irão ser testados vários tipos de filtro e em cada um será observada qual a resposta do sistema, em termos do BER, para várias ordens e vários tamanhos de fibra aplicada no sistema.
As simulações foram realizadas recorrendo ao software VPIPhotonics ®.
Em relação à métrica utilizada considerou-se o EVM (Error Vector Magnitude), que se define como a potência média do vetor erro, normalizado à potência do sinal, sendo o vetor erro um vetor no plano IQ entre os pontos ideais da constelação e os pontos recebidos. [30]
O valor limite da métrica de avaliação utilizada, 12%, está de acordo com o
standard definido para o formato de modulação utilizado [31].
4.1. Resultados de simulação de Radio Over Fiber
Nesta secção serão apresentados os esquemáticos e os resultados que foram obtidos através de simulações do rádio sobre fibra. Os sistemas foram simulados com os parâmetros globais que se podem encontrar na Tabela 1 e cujos valores estão de acordo com as características dos dispositivos utilizados no setup experimental.
Tabela 1: Parâmetros globais do sistema.
Na Figura 13 pode-se observar o esquemático do sistema simulado.
Parâmetro Valor Unidade
Frequência da Portadora 5x109 Hz
Bit Rate à saída do Transmissor (mQAM) 1.25x109 bit/s
Modulação 16-QAM -
MZM Extinction Ratio 25 dB
Largura de linha do Laser 100x103 Hz
Coeficiente de atenuação 0.2x10-3 dB/m
Dispersão na Fibra 16 ps/(nm*km)
Figura 13: Esquemático utilizado para simular o sistema de Rádio sobre fibra.
4.1.1. Caracterização do MZM
O modelo que simula um modulador Mach-Zehnder tem duas entradas: uma do
Laser e outra do Laser Drive, em que este último apresenta dois parâmetros, Bias e Drive Amplitude, que são usados para alterar o ponto de polarização da curva do MZM
e a amplitude do sinal que entra no MZM, respetivamente.
Para se determinar a resposta eletro-óptica do MZM, começou-se por correr uma simulação em que se faz variar o valor do Bias e se mantém o valor do Drive Amplitude fixo em 0.1. O software de simulação utilizado considera que o Drive Amplitude corresponde à multiplicação da excursão pico a pico da saída do transmissor elétrico do sinal m-QAM (com amplitude de 10 V), por um fator multiplicativo (o valor apresentado neste trabalho é sempre o fator multiplicativo).
Na Figura 14 apresentam-se os valores da potência à saída do Mach-Zehnder (µW) em função do valor do Bias, com Drive Amplitude igual a 0.1.
Figura 14: Potência à saída do MZM em função do Bias (V). 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 Ou tp u t Po w er (u W) Bias (V) SER EVM
